JPS62174341A - プラスチツク金型用銅合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、熱伝導度が大きくかつ鏡面性に優れると共に
高強度を有するプラスチック金型用銅合金と、その製造
方法に関する。

（従来の技術） プラスチック成形の分野において、成形サイクルの時間
短縮を目的として熱伝導度の大きい金型材料が要求され
ているが、従来のＦｅ系材料では限界がある。

一方熱伝導度の大きいプラスチック金型材として、［特
開昭５９−１３３３５７　Ｊに示されるようなＣｕ　−
Ｎｉ−Ｓｉ系合金がある。これはＮｉ及びＳｉと残部Ｃ
ｕからなる合金を固溶体化処理し、更に時効処理を施し
、ＩＩＲＣ３〜３６の硬さを有するようにしたことを特
徴としたものである。しかし、このプラスチック金型材
は熱間加工が困難であり、鋳造状態での使用を余儀なく
されている。

（発明が解決しようとする問題点） 前記Ｃｕ−Ｎｉ−３ｉ系のプラスチック金型材は既に触
れたように熱間加工が困難なため鋳造状態で使用されね
ばならず、そのため結晶粒度が大きくかつそのばらつき
も大なるま＼であるからプラスチック金型として要求さ
れる鏡面性が得難いという問題を有している。

また鋳造状態での使用はとりもなおさず結晶粒の微細化
のなされていないま−の使用であるから結晶粒界は補強
されておらず、高い硬さは得られるもの一強度が十分で
なかった。そのため金型にへたり及びクラックが発生し
実用化が困難であった。

本発明は、従来のものがもつ上記の問題点を解決し、高
熱伝導度を有すると共に鏡面性及び強度の優れたプラス
チック金型用銅合金及びその製造方法を提供することを
目的とする。

（問題点を解決するための手段） 高熱伝導度を有し、かつ鏡面性及び強度の優れたプラス
チック金型用銅合金を提供するために、その組成を重量
百分率で、Ｎｉ　２．０〜５．０％、Ｓｔ　Ｏ，５〜２
．０％、Ｃｏ　Ｑ、５〜２．０％、Ｚｒ　Ｏ，０１〜０
．５％、Ｃｒ　０．１〜０．５％、Ａｆｆｉ　０．５〜
１．５％を含有し、残部実質的にＣｕからなるようにし
たのであり、材質を関整して優れたプラスチック金型用
材として製造するために、上記組成で／８製された銅合
金を７５０℃〜９５０℃で加工率６０％以上の熱間加工
を施して後、８００℃〜９５０℃に保持して固溶体化処
理を行い、同処理後１．０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で
冷却し、４５０℃〜５５０　’Ｃで時効処理を施すよう
にしたのである。

（実施例） 先ず成分の限定理由を詳述する。

Ｎｉ：２．Ｏ〜５．０％（重量百分率、以下同じ）Ｎ１
はＳｉと析出物を形成する。すなわちＮｉ２　Ｓｉとな
り強度向上のため重要である。従ってＮｉとＳｉの重量
比率は理論量とする必要がある。たＮ’Ｌ２．０％未満
のＮｉ量では、理！！量のＳｉが存在したとしても強度
が十分に得られず、また５％を越えるＮｉｉでは熱伝導
度が低くなり過ぎる。

第１図はＮｉ量と熱伝導度の関係を示したものである。

但し供試合金は、Ｃｒ、、Ｚｒ、　　Ａｊ２　、Ｃｏの
含有量を本発明の限定範囲で一定とし、Ｎｉ及びＳｉは
Ｎｉ／５ｉ−４，０なる関係で含有し、残部実質的にＣ
ｕからなるＣｕ合金であり、Ｎｉ及びＳｉを前記関係を
保持して種々加えた各素材に加工率８０％の熱間加工を
施して後、９００℃で固溶体化処理を行い、２．５℃／
ｓｅｃの冷却速度で冷却し、５００℃で時効処理をした
ものについて熱伝導度を測定した結果をグラフとしたも
のであり、縦軸に熱伝導度、横軸にＮ４％を示している
。

以上の第１図から明らかなようにＮｉが５％を越えると
熱伝導度は０．２０　Ｃａ１／　ｓｅｃ、ｃｍ以下とな
り、低くなり過ぎるのである。

Ｓｉ：０．５〜２．０％ ＳｉはＮｉ及びＣｏと析出物を形成し強度向上に重要で
ある。但しＳｉが０．５％未満の場合は析出強化が十分
でなく、２．０％を越えて含まれる場合は熱伝導度が低
下し、十分な熱伝導度が得られない。

すなわちこのＳｉや前記のＮｉがα相中に固溶されたま
＼のときは熱伝導度が著しく低下するもので、従ってＳ
ｉ量、Ｎｉ量を析出物形成の理論量とするのであり、前
記Ｎｉの２．０〜５．０％に対してＳｉは０．５〜２．
０％である。

但し実際的には、添加のＮｉをＮｉ珪化物として十分析
出させるためにはＳｉ量を理論量よりや一過剰とし、後
述するＣｒ及びＣｏにより過剰Ｓｉを珪化物として安定
化させる方法が有効かつ望ましい方法である。

Ｃｏ　：　　０．５〜２．０％ ＣｏはＳｉと析出物を形成し析出強化の役割を果すと共
に、鋳造組織の微細化に重要である。これは初晶として
晶出するα相の微細化に効果が認められるのであり、こ
の効果は０．５％以上で顕著となり、１．５％を越える
とＮｉと同様熱転導度の低下を招来し、必要とする熱伝
導度が得られないのである。

ＡＮ：０．５〜１．５％ ＡＮは高温における表面酸化を防止するために必要であ
り、高温における鏡面性の維持に重要である。またα相
を強化するための元素でもある。

但しＡＮの０．５％以下は上記効果は認められず、１．
５％を越えて含まれる場合は熱伝導度が低下し必要とす
る熱伝導度は得られない。

第２図はへ２量と熱伝導度の関係を示したグラフであり
、供試合金は、４．０％Ｎｉ、１．２％５ｉｓＯ４８％
Ｃｏ、０．３％Ｃｒ　、０．５％Ｚｒを含むと共にＡｌ
量を種々変えて添加し、残部実質的にＣｕの各素材を、
加工率８０％の熱間加工を施して後９００℃に保持して
固溶体化処理を行い、２．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷
却し５００℃で時効処理したものであり、これら各試料
について熱伝導度を測定した結果をグラフとしているの
である。縦軸に熱伝導度、横軸に八２％をとった。

同図によればＡＮ量が１．５％を越えると熱伝導度は０
．２０　ｃａｌ　／ｓｅｃ、ｃｍ　　以下となり十分な
熱伝導度が得られないことが判る。

Ｃｒ　：　　０．１〜０．５％、Ｚｒ　：　０．０１〜
０．５％Ｃｒ及びＺｒは高温における絞り及び伸びを改
善するために添加され、熱間加工を可能とするために必
要な元素である。

その効果はＣｒ　Ｏ，１％、Ｚｒ　Ｏ，０１％から認め
られ、Ｃｒ及びＺｒがそれぞれ０．５％を越えて含まれ
ても前記効果の伸びは顕著でなくなり、むしろ熱伝導度
低下の要因となる。

またＣｒ、　Ｚｒはそれぞれ単独では十分な効果が認め
られないのである。

次に、上述の成分を有して残部実質的にＣｕからなる合
金の最適な材質調整処理方法について詳述する。

ａ）熱間加工 熱間加工は結晶粒の微細化に必要である。若し該加工が
十分でない場合は鋳造組織がそのま＼もちきたされて粗
大な結晶粒を多く残しばらつきの大きい組織となる。

従って、微細化を十分にするためには加工率６０％以上
の熱間加工が必要で、これによって結晶粒界の補強もな
されるのであり、また同時に鏡面状態の得やす（なるの
である。

第３図は熱間加工率と結晶粒度（平均粒度）の関係を示
したグラフで、縦軸に粒度（ＩＩＳＨＯ５０１）、横軸
に熱間加工率をとっている。

供試合金は、２．８％Ｎｉ、０．９％Ｓｉ　、０．８％
Ｃｏ、０．８％Ａｌ　　Ｏ，２％Ｃｒ、０．５％Ｚｒを
含み残部実質的にＣｕよりなる合金で、同合金のインゴ
ットを溶製した後、７５０℃〜９５０℃の範囲で各種加
工率の熱間鍛造を施したもので、グラフは上記各加工率
と平均結晶粒度との関係を調査しグラフ化したものであ
る。

同図から平均結晶粒度Ｑ、２ｓｓ以下の細粒とするため
には６０％以上の熱間加工率が必要であることが判る。

なお熱間加工の温度域は７５０℃〜９５０℃が適切　□
である。

第４図に２．８％Ｎｉ　、　　０．９％Ｓｉ、０．８％
Ｃｏ、０．８％Ａｌ、０．２％Ｃｒ、０．５％Ｚｒを含
み残部実質的にＣｕからなる本発明実施例のインゴツト
材の高温特性を示す（実線曲線）が、７５０℃以上で絞
り５０％を越え、熱間加工が可能であることが判る。

但し９５０℃以上では融点との関係で材質が軟化し加工
困難となる。

また同図には比較のために、３．０％Ｎｉ　、０．９％
Ｓｉ、残部実質的にＣｕよりなるインゴツト材の高温特
性も示した（破線曲線）。該インゴ・７トは９００℃に
おいても絞りが２０％であり、９５０℃以上では軟化の
ため熱間加工が困難であることが判る。

なお同図は縦軸が特性値（引張強さ、絞り）、横軸が温
度である。

ｂ）固溶体化処理 固溶体化処理は８００℃〜９５０℃で行う必要がある。

８００℃以下では、Ｎｉ、　Ｓｉが十分に固溶せず、９
５０℃を越える場合は軟化し変形するためである。

Ｃ）固溶体化処理後の冷却及び時効処理固溶体化処理後
、時効処理温度までの冷却には１．０℃／ｓｅｅ以上の
冷却速度が必要である。

これは上記冷却速度以下では析出物が時効処理以前に析
出を始め、その析出物が凝集粗大化するために時効処理
を施しても十分な強度が得られないからである。

第５図は、３．５％Ｎｉ、１．２％Ｓｉ　、　１．０％
Ｃｏ　、０．８％Ａｐ、０．３５％Ｃｒ、０．５％Ｚｒ
を含有し残部実質的にＣｕからなるインゴットに８０％
熱間加工を施し、９００℃に保持して固溶体化処理して
後、４００℃まで平均冷却速度を種々変えて冷却し、次
いで４００℃〜６００℃の範囲で時効処理をした各試料
について硬さを調査し、縦軸に硬さ、横軸に時効温度を
とり、各試料毎の「硬さ一時効温度」曲線を示したもの
で、同図から前記冷却速度が強度を示すパラメータとし
ての硬さに及ぼす影響が明らかであり、１．０℃／ｓｅ
ｃ以下の冷却速度の場合は強度不足となることが判る。

時効温度は第５図から明らかなように４５０℃〜５５０
℃の範囲が強度確保のために必要であり、４５０℃未満
での時効処理では析出が不十分で必要強度が得られず、
５５０℃を越える場合は過時効現象となり強度の低下を
招来する。

次に本発明の具体的実施例を比較例と共に示す。

具体的実施例１ 下記第１表は組成を特定範囲内で種々変えた本発明の実
施例と各種の比較例について、引張強さ、硬さ、熱間絞
り（８００℃）を比較したものである。

本発明の実施例（Ｉｌｈｌ〜７）は溶製した各インゴッ
トに対して、７５０℃〜９５０℃で８０％熱間加工を施
して後、９００℃に保持して固溶体化処理を行い、次い
で２．５℃／ｓｅｃの冷却速度で冷却し、５ｏｏ’ｃで
時効処理したものである。

比較例のうち階１０は上記実施例と同様の処理を示して
い為が、随８．９．１１〜１５は熱間加工ができないた
め、同加工を行わず熱間加工以外の熱処理については実
施例と間−条件で行った。

次　　　　　　　葉 第１表において比較例の１１ｍＢ及び９はＺｒ及びＣｒ
がそれぞれ単独で添加されている例であり、実施例のｌ
１ｈ４及び５と比較して熱間絞りが小さく熱間加工が困
難である。

比較例のＮＩＬＬ〜１４は本発明で必須とする元素が含
まれていないため、熱間絞りが著しく小さい。

比較例１１ｈ１４と実施例の１ｌｋＬ７とを比較した場
合、Ｎｉｌの多いＮ１１４の熱伝導度が小さい。

比較例１１ｈｉｏ及び９と実施例１１ｈ５及び１とを比
較した場合、必須元素が特定範囲を越える比較例では熱
伝導度が小さくなっている。

強度においては、比較例隘１０が実施例に匹敵する値を
示しているもの＼、他の比較例は総て実施例より劣って
いる。

具体的実施例２ 第２表は、３．５％Ｎｉ　ＳＯ，９％Ｓｉ　、　　１．
０％Ｃｏ、０．８％ＡＩ０．３５％Ｃｒ、０．１％Ｚｒ
ｓ残部実質的にＣｕからなるインゴットを各種条件で処
理し製造したものについて、引張強さ及び結晶粒度を開
査した結果を示している。

第　　２　　表 第２表において本発明の実施例（ＩＩｋＬ１〜７）は本
発明特定の範囲内の条件で処理されたものであり、比較
例は上記特定範囲を逸脱する部分を有する条件で処理さ
れている。

比較例１１ｋＬ１３の場合、熱間加工温度が低いため熱
間割れを生じている。

比較例隘１４と実施例隘２を比較した場合、１１ｈ１４
の冷却速度が小さくかつ熱間加工率が小さいため、強度
が小さくまた結晶粒が大きい。

比較例１１ｋＬ１０は冷却速度が小さいため強度が十分
でなく、冷却速度として少なくとも１．０℃／ｓｅｃが
必要である。

比較例ａｎ及び１２は固溶体化温度が低いため、実施例
階３及びＮｆＬ４と比較して強度が低く、同処理温度と
しては８００℃以上の温度が必要であることが判る。

また９５０℃を越える場合は固溶体化処理時に変形を生
じるようになる。

比較例階８及び９を実施例隘２と比較した場合、比較例
は時効温度が適当でないため強度が低く、時効温度とし
ては４５０℃〜５５０℃が必要である。

（発明の効果） 以上の通り本発明合金は適切な成分の組合せ及び材質調
整の処理方法とにより、高い熱伝導性を有すると共に高
強度及び優れた鏡面性を具え、従来プラスチック金型用
銅合金が高熱伝導度を有するもの一強度不足でありかつ
粗大結晶粒による鏡面性の問題を兄事に解決しているの
である。

すなわち本発明合金は引張強さ６０ｋｇｆ　／−以上、
熱伝導度０．２０　ｃａｌ　／ｓｅｃ、ｃｍ　　以上を
有するもノテあり、このことは従来の鋼糸金型材に比し
プラスチック成形サイクルを３倍とすることを可能にし
ているのである。

また前記高熱伝導度を有する銅合金と比べて金型として
の寿命は２倍に達しており成形能率及び金型寿命の延長
に大きく寄与するものであり、その工業的価値は著大で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はＮｉ量と熱伝導度の関係を示すグラフ、第２図
はＡｆｆｉ量と、熱伝導度の関係を示すグラフ、第３図
は熱間加工率と結晶粒度との関係を示すグラフ、第４図
は本発明合金実施例インゴツト材と比較例インゴツト材
の高温特性を示すグラフ。第５図は平均冷却速度の影響
及び時効特性（硬さ）との関係を示すグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）重量百分率で、Ｎｉ２．０〜５．０％、Ｓｉ０．
   ５〜２．０％、Ｃｏ０．５〜２．０％、Ｚｒ０．０１〜
   ０．５％、Ｃｒ０．１〜０．５％、Ａｌ０．５〜１．５
   ％を含有し、残部実質的にＣｕからなることを特徴とす
   るプラスチック金型用銅合金。
2. （２）重量百分率で、Ｎｉ２．０〜５．０％、Ｓｉ０．
   ５〜２．０％、Ｃｏ０．５〜２．０％、Ｚｒ０．０１〜
   ０．５％、Ｃｒ０．１〜０．５％、Ａｌ０．５〜１．５
   ％を含有し、残部実質的にＣｕからなり溶製された銅合
   金を、７５０℃〜９５０℃で加工率６０％以上の熱間加
   工を施して後、８００℃〜９５０℃に保持して固溶体化
   処理を行い、同処理後１．０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度
   で冷却し、４５０℃〜５５０℃で時効処理を施すことを
   特徴とするプラスチック金型用銅合金の製造方法。